JP5511840B2 - 障害物検知装置 - Google Patents

Description

この発明は、障害物を検知する、特に、車両等の移動体に用いて好適な障害物検知装置に関するものである。

障害物検知装置として、従来、レーザ光線を使用したレーザレーダ、マイクロ波を使用したマイクロ波レーダ、静電容量の変化により障害物を検知する静電容量式センサ、超音波を利用した超音波センサ等が実用化されている。この中でも、車両のコーナセンサのように比較的近距離の障害物を検知する用途に対しては、安価で信頼性の高い超音波センサが用いられている。

超音波センサを用いて障害物を検知する技術は、従来、多数提案されており、例えば、特許文献１には、送信用と受信用の超音波センサを複数用いて超音波を送信し、送信パルス区間を複数の受信用センサ数で時分割処理して出力信号を切替えることで、見かけ上同時受信する技術が開示されている。

特開２００７−２７８８０５号公報

しかしながら特許文献１に開示された技術によれば、送受信兼用の複数の超音波センサを配置し、この超音波センサを時系列的に順次切替え個別に障害物を検知している。このため、時間Ｔ＝検知時間（検知最大距離）×センサの個数の時間、を待たないと障害物の検知が出来ない。すなわち、時間Ｔの間は障害物の検知が出来ないため、応答が遅れたり、高速で移動する障害物を見逃してしまうという課題があった。

この発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、高速で移動する障害物、あるいは自車両が高速走行する場合の障害物の検知を、確度をもって検知可能な、障害物検知装置を提供することを目的とする。

この発明に係る障害物検知装置は、超音波を射出するとともに当該超音波の反射波を検知する複数の超音波センサと、当該超音波センサのうちの一つを選択して駆動パルスを供給するバースト波射出部と、駆動パルスを供給されていない超音波センサのうちの一つが反射波の立ち上がりを検知したタイミングで駆動パルスを停止させるバースト波射出停止部と、超音波の残響信号が消失したタイミングと反射波の立ち下がりのタイミングとの時間差から、障害物の有無を検知するとともに障害物までの距離を測定する第１の障害物判定部と、を備えたものである。

この発明に係る障害物検知装置によれば、常時障害物の検知を行うため、高速で移動する障害物、あるいは自車両が高速走行する場合の障害物の検知を、確度をもって高い応答速度で検知可能な、障害物検知装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る障害物検知装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る障害物検知装置の動作を示すタイミング図である。 この発明の実施の形態２に係る障害物検知装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る障害物検知装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る障害物検知装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る障害物検知装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る障害物検知装置の動作を示すタイミング図である。 この発明の実施の形態５に係る障害物検知装置で使用される超音波センサの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態５に係る障害物検知装置の通常の動作を示すタイミング図である。 この発明の実施の形態５に係る障害物検知装置の動作（１パルス周期）を示すタイミング図である。 この発明の実施の形態５に係る障害物検知装置の動作（２パルス周期）を示すタイミング図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る障害物検知装置１０Ａの構成を示すブロック図である。図１によれば、実施の形態１に係る障害物検知装置１０Ａは、複数の超音波センサ１〜ｎと、これら超音波センサ１〜ｎを制御する制御装置１０とにより構成される。

超音波センサ１〜ｎは、１個の超音波振動子で送受信を行うタイプのものであり、例えば、車両のフロント、もしくはリア側の水平および垂直方向に複数配置されているものとする。超音波センサ１〜ｎは、水平および垂直方向に複数配置されていれば良く、その数、および配置の仕方については特に制限はない。実施の形態１では、１以上配置された超音波センサのうち、超音波センサ１は第１の超音波センサとして超音波送信用に、超音波センサ２〜ｎは第２の超音波センサとして反射波受信用として用いられる。

なお、超音波センサ１〜ｎは、内部的には、超音波振動子と、昇圧回路と、電圧増幅回路とにより構成され、昇圧回路によって送受信共用の超音波振動子が駆動されて発振することにより超音波が出射される。そして、障害物に衝突した超音波は同じ超音波センサ１〜ｎで反射波として受信され、出射時とは逆の経路で電圧増幅回路で増幅され、制御装置１０によって取り込まれる。

制御装置１０は、超音波センサ１〜ｎのうち一つの超音波センサ（超音波センサ１）を駆動して超音波を出射し、超音波センサ２〜ｎの一つが障害物からの反射波を検知したタイミングで超音波センサ１による超音波の出射を停止させ、この超音波の出射を停止したタイミングから超音波センサ２〜ｎで反射波を検知できなくなったタイミングで障害物の検知と障害物までの距離を測定する機能を有する。
このため、制御装置１０は、バースト波出射部１０１と、反射波検知部１０２と、バースト波出射停止部１０３と、残響信号消失検知部１０４と、反射波消失検知部１０５と、障害物判定部１０６と、を含み構成される。

バースト波出射部１０１は、超音波センサ１を駆動してバースト波を出射し、反射波検知部１０２は、出射されたバースト波による障害物からの反射波を１以上の超音波センサ２〜ｎで検知する。
バースト波出射停止部１０３は、反射波検知部１０２でバースト波を検知した後の一定時間後にバースト波出射部１０１を制御してバースト波の出射を停止する。

残響信号消失検知部１０４は、バースト波が停止した後、超音波センサ１の残響信号が消失したタイミングを検知し、反射波消失検知部１０５は、超音波センサ１〜ｎによる反射波の消失を検知する。
障害物判定部１０６は、残響信号消失検知部１０４で検知され測定される時間と、反射波消失検知部１０５で検知され測定される時間との時間差を算出して障害物の有無と障害物との距離を判定する。

図２は、この発明の実施の形態１に係る障害物検知装置の動作を示すタイミング図であり、（ａ）駆動パルス、（ｂ）出射超音波（バースト波形）、（ｃ）出射超音波（全波整流波形）、（ｄ）反射信号（全波整流波形）のそれぞれを示す。
以下、図２のタイミング図を参照しながら、図１に示す実施の形態１に係る障害物検知装置１０Ａの動作について詳細に説明する。

バースト波出射部１０１は、超音波センサ１に図２（ａ）で示す駆動パルスを供給し、障害物に向けて図２（ｂ）に示すバースト波を出射する。このときの全波整流波形が図２（ｃ）に示されている。
ここで出射されたバースト波に対する障害物からの反射波は１以上の超音波センサ２〜ｎで検知され、このときの全波整流波形が図２（ｄ）に示されている。

このとき、バースト波出射停止部１０３は、反射波検知部１０２で検知された反射信号の立ち上がり（ポイントｐ１）を検知し、この反射信号を検知したタイミングで駆動パルスを停止させる。

一方、残響信号消失検知部１０４では、出射超音波が停止した後で超音波センサ１の残響信号が消失したタイミングｐ２（残響信号発生区間）を検知し、また、反射波消失検知部１０５では、超音波センサ２〜ｎによる反射波の立ち下がり（ポイントｐ３）を検知し、共に障害物判定部１０６に通知する。
これを受けた障害物判定部１０６では、残響信号消失検知部１０４で得られるタイミングと、反射波消失検知部１０５で得られるタイミングとの時間差ｔｗ１を測定し、この時間差ｔｗ１から障害物の有無と距離を判定する。なお、障害物判定部１０６が得られる時間差から障害物の有無と距離を判定する方法は周知であるため、ここでの説明は省略する。

上述したように実施の形態１に係る障害物検知装置１０Ａは、制御装置１０が、第１の超音波センサのうちの一つ（超音波センサ１）を駆動して超音波を出射し、第２の超音波センサの一つが障害物からの反射波を検知したタイミングで出射した第１の超音波センサによる超音波の出射を停止させ、超音波の出射を停止したタイミングから検知した一つの第２の超音波センサで反射波を検知できなくなったタイミングで障害物の検知と障害物までの距離を測定する。このため、常時障害物の検知が可能になり、したがって、高速で移動する障害物、あるいは自車両が高速走行する場合に応答が遅れたり、障害物を見逃すことが無くなる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る障害物検知装置１０Ｂの構成を示すブロック図である。
図３において、図１に示す実施の形態１との差異は、制御装置１０に、障害物判定部Ｂ１０７が付加されたことにある。障害物判定部Ｂ１０７は、障害物判定部Ａ１０６で障害物の検知を行ってから、内蔵する超音波センサ選択機能により、超音波センサ１〜ｎのうちのひとつ（例えば、超音波センサ２）を送受信兼用のモードで駆動し、障害物が存在する方向および前記障害物までの距離を測定する機能を有する。他の構成は、実施の形態１と同様である。

上述した実施の形態２に係る障害物検知装置１０Ｂによれば、バースト波を用いて障害物の存在を常時高速で検知した後、別の超音波センサによる第１波で障害物の存在位置を検知することができるため、障害物の存在方向と距離がより確度を増し、したがって信頼性の高い障害物検知装置を提供することができる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係る障害物検知装置１０Ｃの構成を示すブロック図である。
以下に説明する実施の形態３に係る障害物検知装置１０Ｃは、障害物に向けて超音波を出射する送信専用の第１の超音波センサ１１と、出射した超音波に対する障害物からの反射波を検知する１以上の受信専用の第２の超音波センサ１２〜１ｎと、制御装置２０とにより構成される。

制御装置２０は、送信専用の超音波センサ１１によるバースト波の発生区間相当のパルス列を発生させて駆動する駆動部である、駆動パルス発生器２０１と、駆動アンプ２０２と、を有する。
また、制御装置２０は、受信専用の超音波センサ１２〜１ｎによる受信信号を増幅して半波整流し、予め設定された複数の閾値Ｖｔｈ１〜Ｖｔｈｎで波形整形する波形整形部である、閾値設定器２０３と、レシーバ２０４（レシーバ＃１〜＃ｎ）と、波形整形器２０５と、を有する。

また、制御装置２０は、波形整形された受信専用の超音波センサ１２〜１ｎの出力信号の論理和による立ち上がりのタイミングを検知してパルス列の発生を停止する停止部である、立ち上がりパルス検知回路２０６と、論理和回路２０７と、駆動パルス停止回路２０８と、立ち下がりパルス検知回路２０９とを有する。
また、制御装置２０は、送信専用の超音波センサ１１の出力信号の波形整形出力から立ち下がりパルスのタイミングを検知すると共に、受信専用の超音波センサ１２〜１ｎの出力信号の波形整形出力の論理和による立ち下がりパルスのタイミングを検知し、検知された立ち上がりと立ち下がりのタイミングの時間差を計測する計側部である、立ち下がりパルス検知回路２０９と、論理和回路２１０と、時間計測部２１１とを有する。

また、制御装置２０は、計測された時間差値から障害物の有無と障害物までの距離を判定する判定部である、障害物判定部２１２を有する。

上述した構成において、実施の形態３に係る障害物検知装置１０Ｃは、制御装置２０が駆動パルス発生器２０１を動作させることにより、バースト波の発生区間相当のパルス列を発生させ、駆動アンプ２０２経由で送信専用の超音波センサ１１を駆動する。
そして、受信専用の超音波センサ１２〜１ｎによる受信信号をそれぞれレシーバ２０４で増幅して半波整流（検波）する。続いて、波形整形器２０５でレシーバ２０４出力を、閾値設定器２０３により設定された各閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２、Ｖｔｈｎにより波形整形し、立ち上がりパルス検知回路２０６、および立ち下がりパルス検知回路２０９へ出力する。

立ち上がりパルス検知回路２０６は、波形整形器２０５出力から波形整形された複数の受信専用の超音波センサ１２〜１ｎの出力信号の立ち上がりを検知し、論理和回路２０７経由でいずれか一つでも立ち上がりが検知されたときに、そのタイミングで駆動パルス停止回路２０８を起動する。このとき、駆動パルス停止回路２０８は、駆動パルス発生器２０１を制御して駆動パルスの発生を停止させる。

一方、立ち下がりパルス検知回路２０９は、波形整形器２０５出力から波形整形された複数の受信専用の超音波センサ１２〜１ｎの出力信号の立ち下がりを検知し、論理和回路２１０経由でいずれか一つでも立ち下がりが検知されたタイミングで時間計測部２１１による時間計測を起動する。
これを受けて時間計測部２１１は、立ち上がりパルス検知回路２０６により検出された超音波センサ１２〜１ｎの出力信号の立ち上がりと、立ち下がりパルス検知回路２０９により検出された立ち下がりの発生タイミングの時間差（ｔｗ１）を計測して障害物判定部２１２へ供給する。障害物判定部２１２では、この時間差（ｔｗ１）から障害物の有無と距離とを判定する。

上述した実施の形態３に係る障害物検知装置１０Ｃでは、超音波センサ１１を送信専用とし、超音波センサ１２〜１ｎを受信専用として使用する。このため、制御装置２０は、送信専用の超音波センサ１１にバースト波の発生区間相当のパルス列を供給することにより駆動し、受信専用の超音波センサ１２〜１ｎによる受信信号を増幅して半波整流して予め設定された複数の閾値で波形整形する。そして、制御装置２０は、波形整形された超音波センサ１２〜１ｎの出力信号の論理和による立ち上がりのタイミングを検知して送信専用の超音波センサ１１に対し駆動パルスの供給を停止する。続いて、超音波センサ１１の出力信号の波形整形出力から立ち上がりパルスのタイミングを検知すると共に、受信専用の超音波センサ１２〜１ｎの出力信号の波形整形出力の論理和による立ち下がりパルスのタイミングを検知し、当該検知された立ち上がりと立ち下がりのタイミングから測定される時間差に基づき、障害物の有無と障害物までの距離を判定する。
このため、常時障害物の検知が可能になり、したがって、高速で移動する障害物、あるいは自車両が高速走行する場合に応答が遅れたり、障害物を見逃すことが無くなる。

実施の形態４．
図５、図６は、この発明の実施の形態４に係る障害物検知装置１０Ｄの構成を示すブロック図である。
図５において、図４に示す実施の形態３との構成上の差異は、図４に示す超音波センサ１１〜１ｎと制御装置２０との間に、制御装置２０により制御され、超音波センサ１１〜１ｎを順次切替えるセンサ切替えスイッチ３０が挿入されたことにある。また、超音波センサ１１〜１ｎは、実施の形態３のように、送信あるいは受信専用の第１第２の超音波センサとしてではなく、いずれも送受信兼用の超音波センサとして用いられることにある。他の構成は実施の形態３と同様である。なお、制御装置２０は、センサ切替えスイッチ３０と共に、例えば、マイクロプロセッサを制御中枢とするＥＣＵ（電子制御ユニット）の中に実装されても良い。

図５において、制御装置２０は、障害物判定部２１２による障害物の有無と障害物までの距離を判定後、超音波センサ１１〜１ｎを送受信兼用の超音波センサとして用い、センサ切替えスイッチ３０を介して順次選択して障害物検知を行う。
すなわち、制御装置２０は、障害物判定部２１２で障害物を検知すると、センサ切替えスイッチ３０を図６に示す接続に切替え、超音波センサ１１〜１ｎを順次選択して通常の障害物検知動作を行う。

図６に示す制御装置２０は、センサ切替えスイッチ３０により、送受信専用に用いられる超音波センサ１１〜１ｎの一つを選択した場合の構成が示されている。ここでは、超音波センサ１１が選択された場合の構成を示す。
図７は、この発明の実施の形態４に係る障害物検知装置１０Ｄの動作を示すタイミング図であり、（ａ）駆動パルス、（ｂ）反射波（全波整流波形で表示）、（ｃ）計測時間のそれぞれを示す。

以下、図７のタイミング図を参照しながら、図６に示す実施の形態４に係る障害物検知装置１０Ｄの動作について詳細に説明する。
すなわち、図５に示す構成により、一旦、障害物判定部２１２で障害物の有無と障害物までの距離を判定後、センサ切替えスイッチ３０により、送受信用として超音波センサ１１が選択される。このことにより、図６に示す構成に移行し、このとき制御装置２０では、駆動パルス発生器２０１が、図７（ａ）に示すバースト波の発生区間相当のパルス列信号を生成し、駆動アンプ２０２経由で超音波センサ１１を駆動する。そして、超音波センサ１１より受波された図７（ｂ）に示す反射波（受信信号）をレシーバ２０４で増幅し半波整流（検波）する。

続いて、波形整形器２０５でレシーバ２０４出力を、閾値設定器２０３により設定された閾値Ｖｔｈ２により波形整形し、立ち上がりパルス検知回路２０６で検知される超音波センサ１１の出力信号の立ち上がりのタイミングを時間計測部２１１に供給する。時間計測部２１１には、他に駆動パルス発生器２０１から駆動パルスの発生タイミンが供給されており、時間計測部２１１では、駆動パルスの第１波が供給されたタイミングから反射波の立ち上がりが検出されたタイミングまでの時間差（図７（ｃ）に示すｔｗ１）を測定して障害物判定部２１２を再起動する。これを受けて障害物判定部２１２は、この時間差（ｔｗ１）から障害物の方向と距離とを判定する。

上述した実施の形態４に係る障害物検知装置１０Ｄでは、制御装置２０が、障害物の有無と障害物までの距離を判定後、超音波センサ１１〜１ｎを送受信兼用の超音波センサとして用い、順次選択して障害物検知を行う。このため、実施の形態４に係る障害物検知装置１０Ｄによれば、バースト波を用いて障害物の存在を常時検知した後、更に、別の超音波センサで障害物の存在を確認できるため、障害物の存在方向と距離測定の確度が向上し、信頼性の高い障害物検知装置を提供できる。

実施の形態５．
ところで、超音波センサには残響特性があることから、送信用の超音波センサに連続して駆動パルスを印加することなく、駆動パルス間に、出射される超音波の残響時間に同期して１以上のパルスを間欠注入してバースト波を出射することで、消費電力および電源容量の削減をはかり、さらにはコンデンサの容量を小さく出来る。
ここで、残響時間とは、ＲＴ６０（Reverberation Time 60）法として規定されている信号のエネルギーが、出射を停止してから６０ｄＢ（１／１０００００）減衰するまでの時間をいう。

以下に説明する実施の形態５に係る障害物検知装置では、基本的には図１に示す障害物検知装置１０Ａの構成を踏襲するものとし、送信用の超音波センサ１の構成、および制御装置１０の一部構成のみ異なる。
すなわち、送信用の超音波センサ１は、その構成が図８に示されるように、超音波センサ１１と、大容量コンデンサＣと、差動増幅器１３と、駆動パルス発生器１４と、昇圧回路１５と、レシーバとしての電圧増幅回路１６、１７、およびバンドパスフィルタ１８とにより構成される。

上述した構成において、大容量コンデンサＣは、超音波出射時以外は外部電源により充電されている。この大容量コンデンサＣを電力源として不図示の制御装置１０から差動増幅器１３経由で入力される超音波の出射指令信号を待って駆動パルス発生器１４が動作し、ここで駆動パルスが生成される。駆動パルス発生器１４で生成される駆動パルス列は、制御装置１０により生成される出射指令信号によりコントロールされ、ここで間欠注入されるパルスの数が調整される。

駆動パルス発生器１４によって生成された駆動パルス列は、駆動アンプを構成するトランジスタＴ経由で昇圧回路１５に供給され、昇圧回路１５の二次側で誘導される電圧によって超音波センサ１１が振動することによって超音波を生成する。この超音波を出射（出力）するにあたり、生成された超音波は電増幅回路１６で増幅され、バンドパスフィルタ１８で帯域制限された信号が更に電圧増幅回路１７で増幅され出力される。

図９は、この発明の実施の形態５に係る障害物検知装置の通常動作を示すタイミング図であり、（ａ）駆動パルス、（ｂ）出射パルス（全波整流波形）、（ｃ）反射信号（全波整流波形）のそれぞれを示す。
図９を参照すると、図２に動作タイミングを示した実施の形態１、２同様、制御装置１０は、図９（ａ）で示す連続した駆動パルスにより超音波センサのうちの特定の超音波センサを駆動して図９（ｂ）に示す超音波を出射する。そして、受信用の超音波センサの一つが障害物からの反射波（図９（ｃ））を検知したタイミングで特定の超音波センサによる超音波の出射を停止させ、超音波の出射を停止したタイミングから受信用の超音波センサで反射波を検知できなくなったタイミング（ｔｗ１）で障害物の検知と障害物までの距離を測定する。

図１０、図１１は、この発明の実施の形態５に係る障害物検知装置の動作を示すタイミング図であり、１パルス周期（図１０）と、２パルス周期（図１１）のそれぞれのケースを示す。ともに、（ａ）駆動パルス、（ｂ）第１駆動パルスでの出射超音波、（ｃ）第２駆動パルスでの出射超音波、（ｄ）第１第２駆動パルスでの出射超音波の合成波、（ｅ）全波整流波形で表示した出射超音波、を示す。

図１０、図１１に示されるように、制御装置１０が、第１駆動パルスと第２駆動バルスの間に、送信用の超音波センサ１により出射される超音波の残響時間に同期して１以上のパルスを間欠注入してバースト波を出射することで、常時、連続して駆動パルスを印加する必要がなくなる。
このことにより、消費電力、および電源容量の削減、さらには図８に示した大容量コンデンサＣの容量を小さくすることができる。

上述した実施の形態５に係る障害物検知装置によれば、超音波センサを駆動する第１の駆動パルスと第２の駆動パルスとの間に、超音波センサ１〜ｎの残響時間に同期して１以上のパルスを間欠注入してバースト波を出射することにより、送信用の超音波センサ１に連続して駆動パルスを印加する必要がなくなり、このことにより、消費電力、および電源容量の削減、さらにはコンデンサの容量を小さくすることができる。
したがって、コスト、プリント基板の実装面積、センサケースの容積の削減に貢献する障害物検知装置を提供することができる。

なお、図１、図３、図４、図５、図６の制御装置１０（２０）が有する機能は、全てをソフトウェアによって実現しても、あるいはその少なくとも一部をハードウェアで実現してもよい。
例えば、制御装置１０が、超音波センサのうち特定の超音波センサを駆動して超音波を出射し、受信用の超音波センサの一つが障害物からの反射波を検知したタイミングで特定の超音波センサによる超音波の出射を停止させ、超音波の出射を停止したタイミングから受信用の超音波センサで反射波を検知できなくなったタイミングで障害物の検知と障害物までの距離を測定するデータ処理は、１または複数のプログラムによりコンピュータ上で実現してもよく、また、その少なくとも一部をハードウェアで実現してもよい。

Claims (4)

1. 超音波を射出するとともに前記超音波の反射波を検知する複数の超音波センサと、
   前記超音波センサのうちの一つを選択して駆動パルスを供給するバースト波射出部と、
   前記駆動パルスを供給されていない前記超音波センサのうちの一つが前記反射波の立ち上がりを検知したタイミングで前記駆動パルスを停止させるバースト波射出停止部と、
   前記超音波の残響信号が消失したタイミングと前記反射波の立ち下がりのタイミングとの時間差から、障害物の有無を検知するとともに前記障害物までの距離を測定する第１の障害物判定部と、
   を備えたことを特徴とする障害物検知装置。
2. 前記第１の障害物判定部が前記障害物を検知した場合、前記駆動パルスを供給されていない前記超音波センサのうちの一つを選択して送受信兼用のモードで駆動し、前記送受信兼用のモードで駆動した超音波センサが射出した超音波および該超音波の反射波を用いて前記障害物が存在する方向および前記障害物までの距離を計測する第２の障害物判定部を備えたことを特徴とする請求項１記載の障害物検知装置。
3. 前記バースト波射出部は、前記超音波センサを駆動する第１の駆動パルスと第２の駆動パルスとの間に、前記超音波センサから出射される超音波の残響時間に同期して１以上の駆動パルスを間欠挿入してバースト波を出射することを特徴とする請求項１記載の障害物検知装置。
4. 前記超音波センサは、車両のフロント側またはリア側の水平方向および垂直方向に複数配置されていることを特徴とする請求項１記載の障害物検知装置。

Images